一种钻孔工具及钻孔工具的设计方法

技术领域

本发明涉及钻孔工具技术领域，尤其涉及一种钻孔工具及钻孔工具的设计方法。

背景技术

目前电子设备中的印制电路板的尺寸变得越来越小，印制电路板上的芯片等器件的引脚直径越来越小，连接芯片引脚的印制电路板孔的位置精度的要求越来越高。机械钻孔是印制电路板的一种成孔方法，由于机械钻孔具有加工成本低、效率高等优点，其被广泛应用在印制电路板的加工领域中。

通常，机械钻孔设备中的钻头采用的是整体式硬质合金微型钻头，硬质合金钻头具有较高的抗弯强度、抗压强度等特性，保证了钻孔质量。但是，硬质合金属于不可再生资源，为了保护生态资源，现有技术中，采用不锈钢材料制作的尾部夹持部位和硬质合金材料制作的前端开孔部位焊接的方式制造钻头，减小了硬质合金的使用量。

然而，钻头在高速旋转以进行钻孔工作时，钻头由于离心力而产生挠曲并振摆回转的动态振动，而且对具有硬质合金制的前端开孔部和不锈钢制的尾部夹持部位进行焊接而成的复合材料接合式的钻头，硬质合金和不锈钢的弹性模量不同，在该种钻头高速旋转时会产生较大的动态振动，较大的动态振动会导致钻头的定位精度下降。现有技术中的不锈钢与硬质合金焊接式的钻头难以减轻动态振动，进而难以保证钻孔精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻孔工具，以提高其钻孔精度。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种钻孔工具，该钻孔工具的长度为L1，31mm≤L1≤32mm，其特征在于，包括：

钻孔本体，所述钻孔本体由钨钴类硬质合金材料制成，所述钻孔本体设置有锥台部；

连接柄，所述连接柄由不锈钢材料制成，所述连接柄包括沿轴向依次相连的柄部、定位台部和过渡台部，所述定位台部和所述过渡台部均呈锥状，所述定位台部的大端与所述柄部连接，所述过渡台部的小端与所述钻头本体焊接接合，所述锥台部的大端靠近所述过渡台部，所述柄部的直径大于所述钻孔本体的最大直径，所述柄部的直径为D11，1.9mm≤D11≤2.1mm，所述定位台部的小端直径为D12，所述过渡台部的大端直径为D14，所述定位台部与所述过渡台部之间设置有环形的退刀槽，所述退刀槽的最小直径为D13，D13＜D12且D13＜D14，所述锥台部的大端直径为D16，所述退刀槽的最小直径处与所述锥台部大端的距离为L2，0.10＜/L2≤0.35。

其中，所述钻孔本体的长度为L3，2.5mm≤L3≤6.7mm；和/或，所述锥台部的锥角角度为α，2°≤α≤15°。

其中，所述钻孔本体还包括钻孔部，所述钻孔部同轴连接于所述锥台部小端的一侧，所述钻孔部的直径等于所述锥台部的小端直径，所述钻孔部的直径为D17，0.01mm≤D17≤0.6mm。

其中，所述钻孔部的外侧壁沿轴线方向设置有螺旋状的排屑槽。

其中，所述钻孔本体还包括焊接部，所述焊接部同轴设置在所述锥台部大端的一侧，所述焊接部与所述过渡台部焊接接合，所述焊接部与所述过渡台部焊接面的直径为D15，0.3mm≤D15≤0.8mm，D15≥D16。

其中，所述过渡台部的大端直径为D14，1.2mm≤D14≤1.8mm；和/或，所述过渡台部的锥角角度为β，3°≤β≤6°。

其中，所述定位台部的长度为L12，所述退刀槽的长度为L13，0＜L12+L13≤4mm。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种钻孔工具，该钻孔工具通过将硬质合金材料制成的钻孔本体与不锈钢材料制成的连接柄进行焊接组成钻孔工具，节省了硬质合金的使用量，节约不可再生资源的使用，降低钻孔工具的制造成本；定位台部与过渡台部之间设置有环形的退刀槽，能够避免在对过渡台部的磨削加工时形成台阶，台阶会降低整个钻孔工具的抗振能力；钻孔本体设置有锥台部，锥台部的大端直径为D16，退刀槽的最小直径为D13,定位台部的小端直径为D12，过渡台部的大端直径为D14，D13

本发明的另一目的在于提供一种钻孔工具的设计方法，以缩短钻孔工具的设计周期，该设计方法包括以下步骤：

S1、确定若干个参数模型，每个所述参数模型均包括能确定所述钻孔工具具体结构的若干个设计参数；

S2、对每个所述参数模型进行仿真模拟，获得每个所述参数模型在相同工况下的仿真结果；

S3、根据比对所述仿真结果，获取当前最优参数模型；

S4、基于所述当前最优参数模型，试制模型样品；

S5、采用所述模型样品进行多个孔位加工；

S6、检测每个所述孔位的CPK值，若每个所述孔位的CPK值均满足要求，则根据所述模型样品确认最终成品。

其中，在步骤S6中，若存在至少一个所述孔位的CPK值不满足要求，则在剔除当前最优参数模型后，返回步骤S3。

其中，在所述步骤S3中，所述仿真结果为模拟得到的所述模型参数的变形量和/或固有频率。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种钻孔工具的设计方法，使用该方法可提前模拟钻孔工具的实际工作状态，选择满足实际生产需求的仿真模型，按该仿真模型的结构参数制作实体样品，并检测实体样品能否满足实际生产需求，可以方便快速地得出满足生产需求的钻孔工具的结构参数，缩短产品开发周期。

附图说明

图1为本发明实施例一中钻孔工具的结构示意图；

图2为本发明实施例一中钻孔工具的另一结构示意图；

图3为本发明实施例二中钻孔工具的结构示意图；

图4为本发明实施例二中钻孔工具的另一结构示意图；

图5为本发明实施例二中钻孔工具设计方法步骤图；

图6为本发明实施例二中不同结构参数的钻孔工具的结构示意图；

图7为本发明实施例二中不同结构参数的钻孔工具对应的钻孔精度的概要说明图；

图8为本发明实施例二中模型试样对应的钻孔精度的概要说明图。

图中：

100、钻孔工具；200、机械钻机；

1、钻孔本体；2、连接柄；

11、锥台部；12、钻孔部；13、焊接部；

21、柄部；22、过渡台部；23、退刀槽；24、定位台部。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种钻孔工具100，该钻孔工具100可以用于手机、显示器等设备中的印制电路板的加工领域中，在印制电路板上钻孔以对芯片进行焊接等操作。

本实施例中的钻孔工具100需安装在机械钻机上，机械钻机带动钻孔工具100高速旋转，以在印制电路板上进行开孔。

具体地，如图1-2所示，本实施例中的钻孔工具100的长度为L1，31mm≤L1≤32mm。该钻孔工具100包括：钻孔本体1，钻孔本体1由钨钴类硬质合金材料制成，钻孔本体1设置有锥台部11；连接柄2，连接柄2由不锈钢材料制成，连接柄2包括沿轴向依次相连的柄部21、定位台部24和过渡台部22，定位台部24和过渡台部22均呈锥状，定位台部24的大端与柄部11连接，，过渡台部22的小端与钻头本体1焊接接合，锥台部11的大端靠近过渡台部22，柄部21的直径大于钻孔本体1的最大直径，柄部21的直径为D11，1.9mm≤D11≤2.1mm，定位台部24的小端直径为D12，过渡台部22的大端直径为D14，定位台部(24)与过渡台部22之间设置有环形的退刀槽23，退刀槽23的最小直径为D13，D13

本实施例中，钻孔工具100的长度为L1，31mm≤L1≤32mm，钻孔本体1由硬质合金材料制成，连接柄2由不锈钢材料制成，通过将钻孔本体1与连接柄2进行焊接组成钻孔工具100，节省了硬质合金的使用量，节约不可再生资源的使用，降低钻孔工具100的制造成本；定位台部24与过渡台部22之间设置有环形的退刀槽23，能够避免在对过渡台部22的磨削加工时形成台阶，台阶会降低整个钻孔工具100的抗振能力；钻孔本体1设置有锥台部11，锥台部11的大端直径为D16，定位台部24的小端直径为D12，过渡台部22的大端直径为D14，退刀槽23的最小直径为D13，D13

具体地，钻孔本体1由钨钴类硬质合金制成，钨钴合金具有较高的抗弯强度、抗压强度、冲击韧性弹性模量和较小的热膨胀系数，能够提高钻孔本体1的钻孔质量。

进一步地，如图1所示，本实施例中，钻孔本体1的长度为L3，2.5mm≤L3≤6.7mm，钻孔本体1能够穿过被开孔对象进行开孔，钻孔本体1的长度过长或过短均会降低整个钻孔工具100的抗振能力。

进一步地，如图2所示，锥台部11的锥角角度为α，2°≤α≤15°，锥台部11是钻孔本体1的部分结构，锥台部11用于连接柄2旋转时的扭力，锥台部11的锥角角度α在该范围内能够提高整个钻孔工具100的抗振能力。

进一步地，如图1-2所示，钻孔本体1还包括钻孔部12，钻孔部12同轴连接于锥台部11小端的一侧，钻孔部12的直径等于锥台部11小端的直径，且钻孔部12的直径为D17，0.01mm≤D17≤0.6mm。

本实施例中，钻孔部12能够穿过印制电路板等电子部件以在被开孔对象上进行开孔，钻孔部12为柱状结构，钻孔部12的直径为D17，0.01mm≤D17≤0.6mm，钻孔部12的直径根据实际开孔大小进行选择，以匹配多种电子产品的加工。

进一步地，钻孔部12的外侧壁沿轴线方向设置有螺旋状的排屑槽(图中未示出)，该排屑槽能够使钻孔过程中产生的积屑顺利排出。

进一步地，如图1-2所示，钻孔本体1还包括焊接部13，焊接部13同轴设置在锥台部11大端的一侧，焊接部13与过渡台部22焊接接合，焊接部13与过渡台部22焊接面的直径为D15，0.3mm≤D15≤0.8mm，D15≥D16。

本实施例中，焊接部13与过渡台部22焊接接合使得由硬质合金材料制成的钻孔本体1与不锈钢材料制成的连接柄2组成一个完整的钻孔工具100，焊接部13与过渡台部22之间的焊接面的直径为D15，0.3mm≤D15≤0.8mm，焊接面在该范围内能够使得连接柄2的柄部直径D11在1.9mm≤D11≤2.1mm时，钻孔本体1与连接柄2的焊接牢固。焊接部13可以为柱状或锥状，当焊接部13为柱状，D15＝D16；当焊接部13为锥状，D15＞D16。

进一步地，如图2所示，过渡台部22的大端直径为D14，1.2mm≤D14≤1.8mm。

进一步地，如图2所示，过渡台部22的锥角角度为β，3°≤β≤6°，过渡台22的锥角角度β在该范围内能够提高整个钻孔工具100的抗振能力。

进一步地，如图1-2所示，过渡台部22与柄部21之间设置有定位台部24，定位台部24呈锥状，定位台部24的大端与柄部21同轴连接，定位台部24的大端直径与柄部21的直径相等，定位台部24的小端直径大于过渡台部22的大端直径，退刀槽23设置于定位台部24与过渡台部22之间。定位台部24的长度为L12，退刀槽23的长度为L13，0＜L12+L13≤4mm。

本实施例中，定位台部24用于在将整个钻孔工具100安装在机械钻机时，便于将钻孔工具100定位安装在机械钻机上；或将整个钻孔工具100放置在工具箱中，并与将钻孔工具100定位放置在工具箱中。

实施例二

本实施例还提供一种钻孔工具的设计方法，用于设计如实施例一中的钻孔工具。

如图3所示，钻孔工具包括柄部21、定位台部24、退刀槽23、过渡台部22、焊接部13、锥台部11和钻孔部12。

如图5所示，钻孔工具结构参数的设计方法包括以下步骤：

步骤S1、确定若干个参数模型，每个参数模型均包括能确定钻孔工具具体结构的若干个设计参数。

在本实施例中，设计参数包括但不限于：如图3-4所示，当钻孔工具100被夹持在机械钻机200上时，未被夹持的柄部21长度L11、定位台部24长度L12、退刀槽23长度L13、过渡台部22长度L14、焊接部13长度L15、锥台部11长度L16、钻孔部12长度L17、柄部21直径D11、定位台部小端直径D12，退刀槽23的最小直径D13，过渡台部22大端直径D14、过渡台部22小端直径D15、锥台部11大端直径D16及钻孔部12直径D17。

其中，各参数需满足以下条件：

L11+L12+L13+L14+L15+L16+L17≤19.25mm；

L12+L13+L14+L15+L16+L17≤12.5mm；

2.5mm≤L15+L16+L17≤6.7mm；

0＜L12+L13≤4mm；

1.9mm≤D11≤2.1mm；

1.2mm≤D14≤1.8mm；

0.3mm≤D15≤0.8mm；

在确定若干个参数模型时，根据设计需求、加工设备的加工能力、工艺能力、各参数需要满足的条件等确定可供选择的设计参数的值，本实施例不对设计参数进行具体限定。

步骤S2、对每个参数模型进行仿真模拟，获得每个参数模型在相同工况下的仿真结果。

相同工况具体为相同的转速。在本实施例中，钻孔工具仿真模型的转速为33万转/分钟，转动频率为5500Hz。钻孔工具仿真模型的转速可以根据实际使用需求进行选择，本实施例不对其作具体限定。

在本实施例中，需要获得的仿真结果主要为仿真结构的固有频率，在其他实施例中，仿真结果还可以为钻孔工具仿真模型相对其轴线的偏移量或者偏移量与固有频率的综合结果。

在本实施例中，对参数模型进行仿真模拟具体采用CAE仿真软件进行，且仿真模拟当钻孔工具被夹持在机械钻机的夹头上时的仿真结果。

步骤S3、根据比对仿真结果，获取当前最优参数模型。

具体包括以下步骤：

S31、筛选目标参数模型集合；

在本实施例中，偏移量越小表示钻孔精度越高，固有频率越高表示越能防止钻孔工具共振。

在本实施例中，基于固有频率筛选目标参数模型集合，当参数模型仿真得到的固有频率大于等于预设频率时，该参数模型落入目标参数模型集合中。

在其他实施例中，也可以基于偏移量筛选目标参数模型，当参数模型仿真得到的最大偏移量小于等于预设偏移量时，该参数模型落入目标参数模型集合中。

在其他另一实施例中，也可以同时基于偏移量和固有频率筛选目标参数模型集合。即当参数模型仿真得到的固有频率大于等于预设频率以及最大偏移量小于或等于预设偏移量时，该参数模型落入目标参数模型集合中。

步骤S32、筛选当前目标参数模型集合中的当前最优参数模型；

在本实施例中，基于固有频率筛选当前最优参数模型，即选择对应固有频率最大的参数模型为当前最优参数模型。

步骤S4、基于当前最优参数模型试制模型样品。

采用1：1的比例试制模型样品，以检测模型样品是否满足孔位加工要求。

步骤S5、采用模型样品进行多个孔位加工。

步骤S6、检测每个孔位的孔位加工精度CPK值，若所有孔位的CPK值均满足要求，则执行步骤S7，若存在至少一个孔位的CPK值不满足要求，则执行步骤S8。

若CPK≥1.33，则该钻孔工具满足实际生产要求，按照该钻孔工具的结构参数进行量产；若CPK＜1.33，则该钻孔工具不满足实际生产要求。

步骤S7、基于当前模型样品，确认最终成品。

步骤S8、将当前最优参数模型剔除目标参数模型集合，更新目标参数模型集合，并返回至步骤S3。

使用该方法可在软件中提前模拟钻孔工具的实际工作状态，选择满足实际生产需求的仿真模型，按该仿真模型的结构参数制作实体样品，并检测实体样品能否满足实际生产需求，可以方便快速地得出满足生产需求的钻孔工具的结构参数，缩短产品开发周期。

示例性地，使用钻孔工具的结构参数设计方法，设计一种钻孔部直径D17，D17＝0.15mm，柄部直径为D11，D11＝2mm的钻孔工具，具体设计方法如下：

如图6所示，提供8种结构参数不同的钻孔工具，各钻孔工具的结构参数如图7中所示。如图3-4所示，以其中一种钻孔工具为例来解释图7中各参数的定义，当钻孔工具100被夹持在机械钻机200上时，未被夹持的柄部21长度L11、定位台部24长度L12、退刀槽23长度L13、过渡台部22长度L14、焊接部13长度L15、锥台部11长度L16、钻孔部12长度L17、柄部21直径D11、定位台部小端直径D12，退刀槽23的最小直径D13，过渡台部22大端直径D14、过渡台部22小端直径D15、锥台部11大端直径D16及钻孔部12直径D17，且D13＜D12，D13＜D14。

首先在CAE仿真软件中输入各钻孔工具的结构参数，在CAE仿真软件中编写程序，使得CAE仿真软件可以输出各钻孔工具夹在机械钻机的夹头中对应的偏移量和固有频率，具体地，各钻孔工具夹在机械钻机的夹头中对应的转速为33万转/分钟，转动频率为5500Hz，如图7所示，得出各钻孔工具的偏移量和固有频率。其中，结构Ⅲ的钻孔部偏移量最小，钻孔工具整体固有频率最高，其钻孔精度等级为优，其钻孔精度优于另外7种结构，因此，以结构Ⅲ的结构参数采用1：1的比例制作模型样品，将该模型样品放入孔位检测机中，使用该模型样品钻孔5次，得到如图8所示的孔位加工精度CPK值，5个孔位对应的CPK值均大于1.33，证明以该结构参数制作的钻孔工具能够满足实际生产要求。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。